ウルトラ先生の「力の図示」徹底解説！

～物理の"なぜ？"をスッキリ解消～

1.3.1 重力 (Gravity) ～地球がみんなを引っ張る力～

重力って、どんな力？

さあ、いよいよ物理のスター選手たちとの冒険が始まるよ！最初の力は、重力 (Gravity) だ！ 「重力」って言葉、聞いたことあるよね？リンゴが木からポトンと落ちたり、私たちがジャンプしても必ず地面に戻ってきたりするのは、全部この重力のおかげ（？）なんだ。

もっと詳しく言うと、重力というのは、質量 (Mass) を持つ物体どうしが、お互いに引き合う力のことなんだ。これを「万有引力（ばんゆういんりょく）」とも言うよ。 でも、高校の物理（特に力学の最初の方）で「重力」と言うときは、だいたい「地球が私たちの身の回りにある物体を引っぱる力」のことを指すんだ。 君の体重計が示す「重さ」も、実はこの地球の重力の大きさを測っているんだよ。

リンゴが木から落ちる様子

図1：リンゴが木から落ちるのは重力のため

重力の3要素：どこに、どっちへ、どれくらい？

どんな力も「作用点」「向き」「大きさ」の3要素で表せるんだったね。重力の場合はどうなるか見ていこう！

1. 重力の作用点：物体のどこに働く？

重力は、物体全体に働く力だけど、力の図示をするときには、物体の重心 (Center of gravity または Center of mass) という一点にまとめて働くものとして考えるんだ。 重心っていうのは、その物体の「質量の中心」みたいなところ。

  • 形が均一な棒なら、ちょうど真ん中。
  • きれいな円盤や球なら、その中心。
  • 四角い箱なら、対角線の交点（つまり中心だね）。

複雑な形の物体の重心を見つけるのはちょっと難しいけど、最初はだいたい「物体の真ん中あたり」と考えておけば大丈夫だよ。

図2：いろいろな形の物体の重心の例 (赤い点が重心)

2. 重力の向き：どっちの方向？

地球が物体を引っぱる重力の向きは、ズバリ「地球の中心に向かう向き」だよ。 でも、私たちの身の回りでは、地球はものすごく大きくて地面は平らに見えるよね？ だから、普通はもっと簡単に「鉛直下向き (Vertically downward)」って言ってOKなんだ。 「鉛直」っていうのは、地面に対してまっすぐ垂直ってこと。建物の壁とか、糸におもりを吊るしたときの糸の向きが鉛直だよ。

図3：重力は地球の中心へ (地表付近では鉛直下向き)

たとえ物体が斜面の上にあっても、空中に投げられていても、重力の向きは常に鉛直下向きだよ！ これはとっても大事なポイントだから、絶対に間違えないようにしようね。

3. 重力の大きさ：どれくらいの強さ？ $W = mg$

重力の大きさは、物体の質量 (Mass) $m$ [kg] と、その場所の重力加速度 (Gravitational acceleration) $g$ [$\text{m/s}^2$] を使って、次のように表されるんだ。

重力の大きさ $W$ [N] = 質量 $m$ [kg] $\times$ 重力加速度 $g$ [$\text{m/s}^2$]

$$ W = mg $$

この重力の大きさのことを、特に重さ (Weight) と呼ぶこともあるよ。 「質量」と「重さ」はよく似ているけど、物理では違う意味を持つから注意しよう。

  • 質量 $m$：物体そのものが持つ、物質の量のこと。どこへ行っても変わらないよ。（単位：kg キログラム）
  • 重さ $W$ (重力の大きさ)：物体に働く重力の大きさのこと。場所（例えば地球の上か月の表面か）によって変わる力だよ。（単位：N ニュートン）

重力加速度 $g$ は、地球の表面近くではだいたい $g = 9.8 \text{ m/s}^2$ という一定の値なんだ。これは「1秒間に $9.8 \text{ m/s}$ ずつ速さが変化する」という意味だけど、今は「重力の大きさを計算するための特別な数字」くらいに思っておけばOK。 問題によっては、計算を簡単にするために $g = 10 \text{ m/s}^2$ として計算することもあるよ。

【例題】質量が 5kg のスイカに働く重力の大きさは何Nかな？ ただし、重力加速度の大きさを $g = 9.8 \text{ m/s}^2$ とするよ。

【考え方】
スイカの質量 $m = 5 \text{ kg}$。
重力加速度 $g = 9.8 \text{ m/s}^2$。
重力の大きさ $W = mg$ の式を使うと…
$W = 5 \text{ kg} \times 9.8 \text{ m/s}^2 = 49 \text{ N}$

【答え】49 N (ニュートン)

重力の図示に挑戦！

さあ、重力の3要素が分かったところで、実際に図示する練習をしてみよう！ 下の図の物体たちに働く重力を、矢印で描き込んでみてね。 ポイントは、作用点（だいたい物体の中心でOK）、向き（常に鉛直下向き！）、そして矢印の長さ（質量が大きいほど長く）だよ。 （このアプリでは、物体の中心をクリックして下にドラッグすると、鉛直下向きの矢印が描けるよ。）

物体（四角や円）の中心をクリックして、真下にドラッグし、重力の矢印を描いてみよう。

  1. 左の青い箱 (質量 普通)
  2. 真ん中の赤いボール (質量 小さい)
  3. 右の緑の大きな箱 (質量 大きい)
  4. 斜面上の黄色いブロック (質量 普通)

特に斜面の上にある物体でも、重力は必ず鉛直下向きに描くんだよ！ 間違えやすいから気をつけてね。

重力は、だいたいいつもいる相棒

地球上で起こる物体の運動を考えるとき、この重力はほとんどの場合、無視できない大切な力だよ。 問題文で「空気抵抗は無視する」と書かれていても、重力はしっかり考えて図示する必要があることが多いんだ。

常に私たちの足元（地球の中心）に向かって働き続けている力、それが重力だということを覚えておこう！

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このページで出てきた英単語 (English words)

Gravity (復習)
意味：重力
The force of gravity pulls objects GDPPC_RATE_LIMIT_EXCEEDED towards the center of the Earth.
意訳：重力は物体を地球の中心に向かって引きます。
Mass
意味：質量
The mass of an object is a measure of the amount of matter it contains.
意訳：物体の質量は、それが含む物質の量の尺度です。
Center of gravity
意味：重心（物体に重力が働く代表点）
For a uniform object, the center of gravity is at its geometric center.
意訳：均一な物体の場合、重心はその幾何学的中心にあります。
Center of mass
意味：質量中心（重心とほぼ同義で使われることが多い）
The concept of center of mass is important in mechanics.
意訳：質量中心の概念は力学において重要です。
Vertically downward
意味：鉛直下向きに
Gravity always acts vertically downward near the Earth's surface.
意訳：重力は地表近くでは常に鉛直下向きに働きます。
Gravitational acceleration ($g$)
意味：重力加速度
The value of gravitational acceleration on Earth is approximately $9.8 \text{ m/s}^2$.
意訳：地球上での重力加速度の値は約 $9.8 \text{ m/s}^2$ です。
Weight
意味：重さ（物体に働く重力の大きさ）
Weight is calculated as mass times gravitational acceleration ($W = mg$).
意訳：重さは質量掛ける重力加速度（$W = mg$）として計算されます。